植物的天然产物是药物的重要来源。在这些天然药物里，大约有41%都是生物碱（一类含氮的碱性有机化合物），其中托品烷生物碱是抗胆碱的临床基本药物，如莨菪碱、东莨菪碱等，广泛用于麻醉镇痛、止咳平喘、治疗晕动症、缓解近视、解除有机磷农药中毒和控制帕金森病的僵硬和震颤等。但它在天然药用植物（茄科药用植物如颠茄、曼陀罗、天仙子等）中的含量低，导致其供给有限，价格昂贵。而由于托品烷生物碱化学合成路线复杂、成本高、环境污染也比较重，直到现在也没有实现商业化的应用，因此亟待生物合成技术来解决托品烷生物碱资源短缺和供应链不稳定的问题。

  西南大学教授廖志华团队致力于打通托品烷生物碱生物合成途径并建立高效制造技术。历经多年研究，廖志华教授团队发现了多个托品烷生物碱生物合成关键酶基因，推进了从氨基酸到东莨菪碱生物合成途径的完整解析。他们通过代谢工程与合成生物技术，培育出了托品烷生物碱高产且抗除草剂的颠茄纯系植株，提高了相关生物碱的含量，为解决药用生物碱的生产问题提供了新途径。

　　【思维要点】

　　一、研究背景

　　1.​​研究问题​​

　　廖志华教授团队的研究主要围绕药用托品烷生物碱的生物合成与生物制造展开。托品烷生物碱是一类重要的天然药物成分，广泛应用于麻醉、镇痛、止咳平喘等领域。然而，这类生物碱在药用植物中的含量较低，导致其供应有限且价格昂贵。

　　2.​​研究难点​​

　　该问题的研究难点在于如何高效地合成托品烷生物碱，特别是如何解析其生物合成途径并建立高效制造技术。

　　​​3.相关工作​​

　　自20世纪初以来，科学家们一直在尝试通过化学合成方法来解决托品烷生物碱的生产问题，但由于路线复杂、污染严重、产率低等原因，化学合成方法尚未实现商业化应用。近年来，生物合成方法逐渐成为研究的热点。

　　二、途径解析

　　1.​​生物合成途径解析​​

　　通过多年的研究，团队成功解析了从氨基酸到东莨菪碱的完整生物合成途径，共涉及13个生物合成途径的基因。这些基因分别由不同国家的科学家发现，其中包括团队自身发现的５个关键基因。

　　​​2.关键酶的发现与功能验证​​

　　团队发现了几个关键酶的功能，如苯丙酮酸还原酶、鸟氨酸脱羧酶等。这些酶在托品烷生物碱的生物合成过程中起到了重要作用。

　　​​3.代谢工程与合成生物学​​

　　团队利用代谢工程技术，在植物中引入抗除草剂基因，并通过田间育种培育出高产的托品烷生物碱植物。同时，团队也在探索利用微生物作为底盘进行合成生物学生产的可能性。

　　三、实验设计

　　​​1.数据收集​​

　　团队通过对药用植物进行基因组分析和代谢途径研究，收集了大量关于托品烷生物碱生物合成的数据。

　　​​2.样本选择​​

　　选择了多种药用植物进行实验，包括颠茄、天仙子等，这些植物中含有较高的托品烷生物碱成分。

　　​​3.参数配置​​

　　在实验设计中，团队重点关注了如何提高托品烷生物碱的含量，特别是在植物中的表达和积累。

　　四、总体结论

　　廖志华教授团队的研究为药用托品烷生物碱的生物合成与生物制造提供了重要的理论基础和技术支持。通过解析生物合成途径、发现关键酶、利用代谢工程和合成生物学技术，团队成功地提高了托品烷生物碱的含量，并为其商业化生产提供了新的途径。尽管目前在微生物中的合成产量仍较低，但研究结果表明，植物仍然是生产托品烷生物碱的主要有效来源，而微生物合成则代表了未来的发展趋势。

　　【专家简介】

　　廖志华，西南大学生命科学学院教授、博士生导师。长期从事植物天然产物合成生物学和代谢工程研究，作为通讯作者在Nature Communications、ACS Catalysis、Metabolic Engineering、Molecular Plant、New Phytologist等发表研究论文60余篇；转让发明专利4项；育成多个植物新品种。

　　制作：肖春芳、张智豪（实习）